Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Все это может показаться полезным, но на практике интерфейс очередей заданий приносил только неприятности. Все очереди были, по сути, оторваны от действительности. Единственной ценной очередью оказалась очередь планировщика, которая предоставляла единственную возможность, чтобы выполнять отложенные действия в контексте процесса.

Еще одним преимуществом механизма очередей заданий была простота интерфейса. Несмотря на большое количество очередей и разнообразие правил, по которым они выполнялись, интерфейс был максимально прост. Все остальное, что касается очередей заданий, необходимо было убрать.

Различные использования очередей заданий были заменены другими механизмами обработки нижних половин; большинство — тасклетами. Осталось только то, что касалось очереди планировщика. В конце концов, код демона keventd был обобщен в отличный механизм очередей действий, который мы имеем сегодня, а очереди заданий были полностью удалены из ядра.

Какие обработчики нижних половин необходимо использовать

Решение о том, какой из механизмов обработки нижних половин следует использовать, является важным. В современных ядрах серии 2.6 есть три варианта выбора: отложенные прерывания (softirq), тасклеты (tasklet) и очереди отложенных действий (work queue). Тасклеты построены на основе отложенных прерываний, и поэтому эти два механизма похожи. Механизм очередей действий полностью от них отличается, он построен на базе потоков пространства ядра.

Благодаря своей реализации, отложенные прерывания обеспечивают наибольший параллелизм. Это требует от обработчиков отложенных прерываний применения дополнительных мер для того, чтобы гарантировать безопасный доступ к совместно используемым данным, так как два или более экземпляров одного и того же отложенного прерывания могут выполняться параллельно на разных процессорах. Если код уже очень хорошо распараллелен для многопоточного выполнения, как, например, сетевая подсистема, которая использует данные, связанные с процессорами, то использование отложенных прерываний— это хороший выбор. Они, конечно, представляют собой наиболее быстрый механизм для критичных ко времени или частоте выполнения задач. Тасклеты имеет больший смысл использовать для кода, который не очень хорошо распараллелен для многопоточности. Они имеют более простой интерфейс, и поскольку тасклеты одного типа не могут выполняться параллельно, то их легко программировать. Тасклеты — это фактически отложенные прерывания, которые не могут выполняться параллельно. Разработчики драйверов всегда должны использовать тасклеты, а не отложенные прерывания, кроме, конечно, случаев, когда они готовы связываться с такими вещами, как переменные, связанные с процессорами (per-CPU data), или другими хитростями, чтобы гарантировать безопасное параллельное выполнение отложенных прерываний на разных процессорах.

Если отложенные операции требуют выполнения в контексте процесса, то из трех возможных вариантов остается единственный выбор — это очереди действий. Если выполнение в контексте процесса не является обязательным, в частности, если нет необходимости переходить в состояние ожидания (sleep), то использование отложенных прерываний или тасклетов, скорее всего, подойдет больше. Очереди действий вносят наибольшие накладные расходы, так как они используют потоки ядра и, соответственно, переключение контекста. Нельзя сказать, что они не эффективны, но в свете тех тысяч прерываний в секунду, что сетевая подсистема может обеспечить, использование других механизмов может иметь больший смысл. Хотя для большинства ситуаций очередей действий также бывает достаточно.

В плане простоты использования пальму первенства получают очереди действий. Использование очереди events, которая существует по умолчанию, — это просто детская игра. Далее идут тасклеты, которые тоже имеют простой интерфейс. Последними стоят отложенные прерывания, которые должны быть определены статически.

В табл. 7.3 приведено сравнение различных механизмов обработки нижних половин.

Таблица 7.3. Сравнение механизмов обработки нижних половин

Механизм обработки нижних половин Контекст выполнения Сериализация Отложенные прерывания (softirq) Прерывание Отсутствует Тасклеты (tasklet) Прерывание По отношению к тасклету такого же типа Очереди отложенных действий (work queue) Процесс Отсутствует (планируется на выполнение как контекст процесса)

Если коротко, то разработчики обычных драйверов имеют всего два варианта выбора. Необходимо ли использовать возможности планировщика, чтобы выполнять отложенные действия, т.е. необходимо ли переходить в состояние ожидания по какой-либо причине? Если да, то единственный вариант — очереди отложенных действий. В противном случае предпочтительно использовать тасклеты. Только если важна масштабируемость, то стоит обратиться к отложенным прерываниям.

Блокировки между обработчиками нижних половин

Мы еще не касались вопросов, связанных с блокировками. Этой теме посвящены следующие две главы. Тем не менее очень важно понимать, что решающим моментом при обработке нижних половин является защита данных общего доступа от конкурентных изменений, даже на однопроцессорной машине. Следует помнить, что обработчик нижней половины прерывания потенциально может выполняться в любой момент времени. Может потребоваться вернуться к текущему разделу, после прочтения следующих двух глав, если вы далеки от вопросов, связанных с блокировками.

Одно из преимуществ использования тасклетов состоит в том, что они всегда выполняются последовательно по отношению к себе: один и тот же тасклет никогда не будет выполняться параллельно себе даже на двух разных процессорах. Это означает, что нет необходимости заботиться о проблемах, связанных с конкурентным выполнением тасклетов одного типа. Конкурентное выполнение тасклетов нескольких разных типов (в случае, если они совместно используют одни данные) требует применения блокировок.

Так как отложенные прерывания не обеспечивают строгой последовательности выполнения (даже два обработчика одного и того же отложенного прерывания могут выполняться параллельно), то все совместно используемые данные требуют соответствующих блокировок.

Если из контекста процесса необходимо обращаться к данным, которые используются как контекстом процесса, так и обработчиком нижней половины, то необходимо запретить обработку нижних половин и захватить блокировку перед тем, как начинать работу с данными. Это позволяет гарантировать защиту совместно используемых данных как на локальном процессоре, так и на разных процессорах SMP системы, а также предотвратить взаимоблокировки.

Если имеются данные, которые могут совместно использоваться в контексте прерывания и в обработчике нижней половины, то необходимо запретить прерывания и захватить блокировку перед тем, как обращаться к этим данным. Именно эти две операции позволяют предотвратить взаимоблокировку и обеспечить защиту для SMP-систем.

Все совместно используемые данные, к которым необходимо обращаться из очередей действий, также требуют применения блокировок. Проблема блокировок в этом случае ничем не отличается от блокировок обычного кода ядра, так как очереди действий всегда выполняются в контексте процесса.

В главе 8 будут рассмотрены хитрости, связанные с блокировками. В главе 9 будут описаны базовые элементы ядра, которые позволяют осуществлять блокировки.

Далее в этом разделе рассказывается о том, как защитить данные, которые используются обработчиками нижних половин.

Запрещение обработки нижних половин

Обычно только одного запрещения обработки нижних половин недостаточно. Наиболее часто, чтобы полностью защитить совместно используемые данные, необходимо захватить блокировку и запретить обработку нижних половин. Методы, которые позволяют это сделать и которые обычно используются при разработке драйверов, будут рассмотрены в главе 9. Однако при разработке самого кода ядра иногда необходимо запретить только обработку нижних половин.

Для того чтобы запретить обработку всех типов нижних половин (всех отложенных прерываний и, соответственно, тасклетов), необходимо вызвать функцию local_bh_disable(). Для разрешения обработки нижних половин необходимо вызвать функцию local_bh_enable(). Да, у этих функций "неправильные" названия. Никто не потрудился переименовать эти функции, когда интерфейс BH уступил место интерфейсу отложенных прерываний. В табл. 7.4 приведены сведения об этих функциях.